西安市涇河新城某園區(qū)地熱資源特征及成井工藝研究

何 欣，馬 悅，李 俊

(陜西天地源新能源投資有限公司，陜西 西安 710065；2.中光建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000)

1 概況

地熱資源作為一種集“水、熱、礦”于一體的優(yōu)質(zhì)清潔新能源，具有用途廣泛、可直接利用的優(yōu)點。其社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著，在低碳經(jīng)濟發(fā)展中起著越來越重要的作用。為響應(yīng)國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃，降低煤炭消費比重，推動能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，涇河新城某園區(qū)將原有供熱鍋爐房拆除，決定開發(fā)利用中深層地熱資源替代燃煤鍋爐，用于園區(qū)內(nèi)廠房的供熱取暖及員工洗浴。

園區(qū)位于地熱資源開發(fā)的潛力區(qū)域，本著“一采一回，采灌平衡”的原則，本次研究在該園區(qū)施工兩眼地熱鉆孔。本文將對開采井的地熱資源特征及成井工藝進行分析，研究結(jié)果能夠為區(qū)域乃至盆地后期的地熱資源開發(fā)提供一定的實踐依據(jù)。

2 地熱地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

渭河盆地是由一系列不同方向的斷裂切錯形成的新生代復(fù)式地塹型斷陷盆地[1，2]，前新生界基底斷裂構(gòu)造發(fā)育，地熱地質(zhì)背景十分復(fù)雜。其邊緣常為兩組不同方向斷裂追蹤而形成鋸齒狀邊緣，由于不同組合斷裂構(gòu)造的影響，使其沉積中心、地層、巖相、構(gòu)造線方向等都隨之變化。就整個渭河盆地而言，是由兩個較大規(guī)模的次級凹陷組成，自西向東依次為：西安凹陷和固市凹陷，其新生界沉積厚度分別為7 000 m和6 800 m[3]。凹陷南北的斜坡帶是凹陷的兩翼，北部是緩斜坡帶、南部是陡斜坡帶。園區(qū)位于渭河盆地固市凹陷北部緩坡低斷階帶西部(圖1)。

圖1 渭河盆地構(gòu)造分區(qū)圖

2.2 斷裂特征

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及地球物理勘查資料，園區(qū)內(nèi)并沒有斷裂展布，但區(qū)域發(fā)育的主要斷裂有涇河斷裂(F1)和渭河北岸斷裂(F2),現(xiàn)分述如下：

2.2.1 涇河斷裂(F1)

據(jù)地球物理勘查資料顯示，該斷裂在盆地內(nèi)西起禮泉王橋鎮(zhèn)北，沿涇河至臨潼，延伸約75 km，在涇河以南黃土塬前沿分布，走向東南，傾向北東，張性斷裂，傾角78°左右，斷距向深部增大。斷裂一線在地貌上顯示為黃土陡坎，高差80 m。該斷層為地層深部熱源上涌提供了有利通道[4]。

2.2.2 渭河北岸斷裂(F2)

據(jù)地球物理勘查資料顯示，該斷裂位于渭河北岸，西起寶雞，經(jīng)武功、咸陽、渭南，向東延伸[5，6]，總體作北東東向-近東西向延展。由視電阻率反演斷面等值線可見：斷裂多以梯級帶使兩側(cè)產(chǎn)生明顯電性分異及等值線錯動；在不同剖面位置斷裂大都表現(xiàn)為上陡下緩，傾角65°～80°，總體向南傾斜，切深大于20 km；但在局部地段(如窯店附近)斷裂在縱深方向上發(fā)生折曲，2 km以淺傾向北，以深則轉(zhuǎn)向南傾[4]。此外，在斷裂下段，深度10～30 km范圍尚可見3～5 Ω·m的低阻異常圈閉，與斷裂相關(guān)聯(lián)，將可能構(gòu)成此地的熱源儲集及傳導(dǎo)背景[7]。

2.3 地層特征

根據(jù)巖屑錄井與綜合測井資料結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對比分析，該地熱開采井地層由深到淺依次為：古近系始新統(tǒng)紅河組(E2h)、古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組(E3b)、新近系中新統(tǒng)高陵群(N1gl)、新近系上新統(tǒng)藍田—灞河組(N21+b)和張家坡組(N2z)、第四系下更新統(tǒng)三門組(Q1s)和中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)秦川群(Q2-4qc)[7]。

2.3.1 古近系始新統(tǒng)紅河組(E2h)

埋深：2 950～3 100.16 m，厚度150.16 m，地層未揭穿。

巖性組合：灰白色中細砂巖與紫紅色泥巖互層，砂巖含礫。

2.3.2 古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組(E3b)

埋深：2 670～2 950 m，厚度280 m。

巖性組合：灰白色細砂、中砂巖與灰色泥巖互層，中間砂巖粒度較細，中砂巖含礫，含白色鈣質(zhì)物。

2.3.3 新近系中新統(tǒng)高陵群(N1gl)

埋深：2 050.0～2 670.0 m，厚度620.0 m。

巖性組合：巖性以深紫棕色粉砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層泥質(zhì)細砂巖、含礫細砂巖，中砂巖及含礫粗砂巖不等厚互層。

2.3.4 新近系上新統(tǒng)藍田～灞河組(N21+b)

埋深：1 180.0～2 050.0 m，厚度870.0 m。

巖性組合：上部為棕紅色含礫泥質(zhì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層；下部為棕紅色、紫棕色粉砂巖(含礫)，紫棕色泥質(zhì)細砂巖與棕色泥巖,粉砂質(zhì)泥巖互層。局部含零星白色鈣質(zhì)物，砂巖含礫，成份以石英為主。

2.3.5 新近系上新統(tǒng)張家坡組(N2z)

埋深：700.0～1 180.0 m，厚度480.0 m。

巖性組合：上部以灰黃色，淺綠色泥巖為主，夾灰白色細砂巖；中部為淺灰色粉砂質(zhì)泥巖與中粗砂巖互層；下部深灰褐色粉砂質(zhì)泥巖與灰、灰白色長石細砂巖不等厚互層。局部含零星白色鈣質(zhì)物，砂巖以石英、長石為主，次棱角狀，含少量礫石。

2.3.6 第四系下更新統(tǒng)三門組(Q1s)

埋深：560.0～700.0 m，厚度140.0 m。

巖性組合：為深灰色、藍灰色粉質(zhì)粘土、粘土，夾灰白色、灰色、淺肉紅色細砂、中細砂層，未成巖。

2.3.7 第四系中、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)秦川群(Q2-4qc)

埋深：0～560.0 m，厚度560.0 m。

巖性組合：頂部灰黃色粘土,亞粘土；上部灰色、灰黃色粗、中、細砂；下部灰色、灰黃色粘土與灰黃色中砂、細砂層不等厚互層。粘土性軟、吸水易造漿，未成巖。

3 儲層及蓋層特征

3.1 儲層特征

園區(qū)地熱資源主要為碎屑巖類孔隙型地熱資源，其熱儲層可劃分為：新近系上新統(tǒng)張家坡組、藍田～灞河組、新近系中新統(tǒng)高陵群、古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組及始新統(tǒng)紅河組五個熱儲層[7]。

3.1.1 古近系始新統(tǒng)紅河組(E2h)

該熱儲層位2 950.0～3 100.16 m，厚度150.16 m，地層未揭穿。測井成果揭示該熱儲層共8層砂巖，砂巖厚度37.0 m，砂厚比24.7%，最小單層厚度1.5 m，最大單層厚度10.9 m，平均單層厚度4.6 m。砂巖孔隙度16.81%～23.37%，滲透率18.96～122.24 mD，頂板實測溫度107.37℃，底板實測溫度108.9℃，平均溫度為108.1℃。其電性特征表現(xiàn)為砂巖電阻率值大多為3.23～9.16 Ω·m，上部為鋸齒狀中高阻，下部為鋸齒狀低阻，自然電位曲線波動較小呈正異常。該熱儲層砂巖厚度較小，含水層發(fā)育較差，溫度較高，熱儲條件較差。

3.1.2 古近系漸新統(tǒng)白鹿塬組(E3b)

該熱儲層埋深2 670.0～2 950.0 m，厚度280 m。測井成果揭示共22層砂巖，砂巖厚度102.6 m，砂厚比36.7%，最小單層厚度1.0 m，最大單層厚度19.1 m，平均單層厚度4.7 m。砂巖孔隙度11.62%～40.55%，滲透率2.59～526.81 mD，頂板實測溫度101.46℃，底板實測溫度107.37℃，平均溫度為104.2℃。其電性特征為砂巖電阻率值大多為4.99～30.50 Ω·m，砂巖視電阻率曲線呈鋸齒狀高阻，自然電位曲線呈波動較小正異常。該熱儲層孔隙度較大，滲透性一般，熱儲條件一般，是區(qū)域內(nèi)比較好的熱儲層位。

3.1.3 新近系中新統(tǒng)高陵群(N1gl)

該熱儲層埋深2 050.0～2 670.0 m，厚度620.0 m。測井成果揭示共50層砂巖，砂巖厚度284.3 m，砂厚比45.9%，最小單層厚度0.8 m，最大單層厚度30.7 m，平均單層厚度5.7 m。砂巖孔隙度19.81%～32.16%，滲透率9.52～429.69 mD，頂板實測溫度87.22℃，底板實測溫度101.46℃，平均溫度為94.5℃。其電性特征為砂巖電阻率值大多為2.94～5.74 Ω·m，砂巖視電阻率曲線呈鋸齒狀中高阻，自然電位曲線呈淺槽狀正異常。該熱儲層砂巖厚度較大，孔隙度較大，滲透性較好，熱儲條件較好，是區(qū)域內(nèi)良好的熱儲層位。

3.1.4 新近系上新統(tǒng)藍田～灞河組(N21+b)

該熱儲層埋深：1 180.0～2 050.0 m；厚度870.0 m。測井成果揭示共有72層砂巖，砂巖厚度295.2 m，砂厚比34.0%，最小單層厚度1.2 m，最大單層厚度19.2 m，平均單層厚度4.1 m。砂巖孔隙度20.32%～41.47%，滲透率20.59～1 119.44 mD，頂板實測溫度69.49℃，底板實測溫度87.22℃，平均溫度為79.5℃。其電性特征為視電阻率為1.58～4.18 Ω·m，砂巖視電阻率曲線呈波狀低阻，自然電位曲線呈“V”字型或淺漏斗狀負異常。該熱儲層砂巖厚度較大，孔隙度較大，滲透性較好，為高孔高滲儲層[8]，但該熱儲層埋藏相對較淺，溫度相對較低，可作為區(qū)域內(nèi)良好的儲備熱儲層。

3.1.5 新近系上新統(tǒng)張家坡組(N2z)

該熱儲層埋深700.0～1 180.0 m；厚度480.0 m。測井成果揭示共有7層砂巖，砂巖厚度18.5 m，砂厚比3.9%，最小單層厚度1.7 m，最大單層厚度5.3 m，平均單層厚度2.7 m。砂巖孔隙度39.01%～42.97%，滲透率179.72～252.28 mD，頂板實測溫度63.81℃，底板實測溫度69.49℃，平均溫度為65.9℃。其電性特征為視電阻率為1.82～2.60 Ω·m，砂巖視電阻率曲線呈平緩波狀低阻，自然電位曲線呈淺鋸齒狀負異常。該熱儲層砂巖厚度較小，孔隙度較大，滲透性一般，該熱儲層埋藏淺，溫度低，熱儲條件較差。

3.2 蓋層特征

熱儲層中常見的蓋層為泥巖，渭河盆地新生界泥巖在各組地層中普遍發(fā)育，相對而言，張家坡組泥巖最為發(fā)育[8]，張家坡組發(fā)育巨厚的泥巖或砂質(zhì)泥巖可作為熱儲層的重要蓋層；另外700.0 m厚的第四系松散層由于熱導(dǎo)率較低，同時細粒相粘土層儲熱條件相對較差，也視為良好的隔熱保溫層。

4 地熱水化學特征

本次地熱水采自高陵群及古近系混合熱儲層，水樣送至陜西工程勘察研究院水土檢測中心進行水質(zhì)檢驗，分析結(jié)果見表1，其井口水溫為92℃。根據(jù)水質(zhì)檢驗報告：地熱水總礦化度7 146 mg/L，屬咸水；以碳酸鈣計總硬度380 mg/L，屬硬水pH值7.84，屬中性水。

表1 地熱井地熱水水化學分析表 mg/L

主要陽離子含量：以Na+為主，含量達到2 661 mg/L，毫克當量百分數(shù)92.8，K+含量為45.5 mg/L，毫克當量百分數(shù)0.9，Ca2+含量為108 mg/L，毫克當量百分數(shù)4.3，Mg2+含量為26.7 mg/L，毫克當量百分數(shù)1.8，NH4+含量為2.27 mg/L，毫克當量百分數(shù)0.1；主要陰離子含量：以Cl-為主，含量達到3 811 mg/L，毫克當量百分數(shù)89.8，SO42-含量為288 mg/L，毫克當量百分數(shù)5.0，HCO3-含量為372 mg/L，毫克當量百分數(shù)5.1。依據(jù)主要陰陽離子含量該地熱水水化學類型命名為氯化鈉型水(Cl-Na)。高濃度的Na+與Cl-含量反映了區(qū)域內(nèi)地熱水運移路徑長、徑流時間長、水-巖作用強烈、貯藏環(huán)境較封閉的特征。

按照國標GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》進行評價，該地熱水有9項超標，不能作為生活飲用水；按照國標GB/T11615—2010《理療熱礦水水質(zhì)評價標準》進行評價，該地熱水中氟、溴、碘、鍶、偏硼酸、偏硅酸礦物含量具有醫(yī)療價值，其中4項達到命名礦水濃度，可命名為碘水、鍶水、硅水、硼水及熱水。該地熱水是較優(yōu)質(zhì)的熱礦水，具有較高的醫(yī)療價值。

5 成井工藝

5.1 成井結(jié)構(gòu)

該地熱開采井為二級成井結(jié)構(gòu)，成井深度3 100.16 m，不同井徑下入不同規(guī)格的國產(chǎn)石油無縫套管(圖2及表2)。

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意圖

表2 鉆頭及套管程序說明表

一開井段：采用φ444.5 mm鉆頭，鉆進至450.0 m完鉆。0～450.0 m井段下入φ339.7 mm石油無縫套管；再采用40.06 tG級高抗硫酸鹽油井水泥進行固井作業(yè)，水泥漿返出地面，固井效果良好。

二開井段：采用φ241.3 mm鉆頭，鉆進至3 100.16 m完鉆。419.85～3 100.16 m井段下入φ177.8 mm石油無縫套管。二開套管總長2 680.31 m，其中隔水管長度2 147.41 m，濾水管選用φ177.8 mm石油無縫套管，加工打眼、墊筋、包網(wǎng)纏絲，濾水管有效長度532.9 m，安裝在取水層段中主要含水層部位。

二開套管與一開套管采用穿袖方式連接，重合段長度30.15 m。

5.2 止水工藝

止水位置分別設(shè)在0～450.0 m井段、419.85～450.0 m井段、1 881.06～1 883.04 m井段和2 046.93～2 049.73 m井段。止水工藝為0～450.0 m一開套管外環(huán)狀間隙，采用40.06 tG級高抗硫酸鹽油井水泥全段固井，水泥漿返出地面；419.85～450.0 m井段，φ339.7 mm一開套管與φ177.8 mm二開套管穿袖重合段之間的環(huán)狀間隙內(nèi)，采用聯(lián)體傘式止水器與填充水泥砂漿封固進行止水；1 881.06～1 883.04 m井段和2 046.93～2 049.73 m井段，取水段頂部采用特制的聯(lián)體傘式止水器與遇水膨脹式橡膠止水條止水，止水效果良好。

5.3 洗井工藝

套管安裝結(jié)束后開始進行洗井工作，采用泥漿泵高壓射流洗井、空壓機氣舉洗井與潛水電泵抽水聯(lián)合洗井。首先分段下φ89 mm油管至合理井深循環(huán)稀釋泥漿，直至將井內(nèi)稠泥漿全部換成稀泥漿；再將φ89 mm油管起至一定井深，利用高壓空氣壓縮機氣舉洗井，然后使用潛水電泵抽水洗井，直至水清砂凈。

5.4 抽水試驗

洗井結(jié)束后，對2 051.23～3 100.16 m井段進行抽水試驗，含水層厚度420.7 m。井口憋壓測定初始靜止水位為+28.0 m，再依次進行了大、中、小落程抽水試驗，最后測定恢復(fù)水位為+28.0 m。各落程抽水試驗結(jié)果詳見表3。經(jīng)計算，其單位涌水量為0.81～1.01 L/s·m，屬于中等富水性，井口水溫92℃，屬中溫地熱資源，可用于烘干、發(fā)電、采暖等。

表3 抽水試驗成果表

6 結(jié)語

涇河新城某園區(qū)位于渭河盆地固市凹陷北部緩坡低斷階帶，主要發(fā)育碎屑巖類孔隙型地熱資源，地熱資源條件較好，熱儲層層位多，砂巖厚，蓋層較發(fā)育。

(2)該地熱井井深3 100.16 m，二級成井結(jié)構(gòu)。一開0～450.0 m，下入339.7 mm石油無縫套管，二開419.85～3 100.16 m，下入177.8 mm石油無縫套管。二開套管與一開套管采用穿袖方式連接，重合段長度30.15 m。

(3)根據(jù)抽水試驗，該開采井井口水溫達92℃，屬中溫地熱資源，涌水量可達142.25 m3/h，屬中等富水性。地熱水水化學類型為Cl-Na型水，其氟、溴、碘、鍶、偏硼酸、偏硅酸礦物含量具有醫(yī)療價值。

(4)該園區(qū)地熱資源貯藏條件良好，地熱水水量充沛，水溫較高、水質(zhì)適中，適宜于進行地熱供暖等產(chǎn)業(yè)的開發(fā)利用。